LAPORAN FISIKA EKSPERIMEN : Pengukuran Tensile Strength, Compressive Strength dan Modulus Elastisitas Benda Padat

1          Pendahuluan

Sifat-sifat mekanik zat padat seperti kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan tekan (compressive strength), modulus elastis (moduus young, modulus geser dan modulus bulk), keuletan, ketangguhan, kekerasan dan kekuatan impak merupakan sifat-sifat fisis zat padat yang perlu mendapatkan perhatian bagi para peneliti yang melakukan penelitian tentang rekayasa bahan, karena sifat-sifat tersebut memberikan peranan penting bagi terciptanya syatu bahan yang sesuai dengan yang dikehendaki. Masing-masing benda padat seperti logam, keramik, polimer, semikonduktor, dan superkonduktor masing-masing memiliki sifat-sifat mekanik yang berbeda satu sama lain. Hal inilah yang menyebabkan adanya perbedaan aplikasi bagi bermacam-macam benda padat tersebut diatas. Sebagai contoh, logam memiliki tingkat kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan polimer. Oleh karenanya logam banyak digunakan untuk peralatan yang membutuhkan kekuatan yang besar (alat-alat industri, komponen peralatan transportasi dan lain-lain), sementara polimer banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga.
Mengingat pentingnya pengetahuan tentang sifat-sifat mekanik dalam rekayasa bahan maka akan dilakukan pengukuran beberapa sifat-sifat mekanik zat padat dengan menggunakan autograph tipe AG-10 TE Shimadzu. Sifat-sifat mekanik yang akan diukur adalah stress (tegangan), strain (regangan), kekuatan tarik (tensile strength), kekuatan tekan ( compressive strength) dan modulus elastisitas.

2          Dasar Teori

2.1         Stress (Tegangan)

Stress atau tegangan didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya terhadap luas penampang daerah yang dikenai gaya tersebut (Van Vlack, 1991). Dalam satuan international stress memiliki lambang S dan satuan N/m². Gaya yang bekerja pada benda menyebabkan terjadinya perubahan ukuran benda. Pengaruh vector gaya terhadap sumbu x menghasilkan besaran tensile stress dengan lambang σx . Indeks x menyatakan arah vektor gaya. Pengaruh gaya terhadap sumbu y dan sumbu z menghasilkan momen yang disebut besaran shear stress. Untuk sumbu y, shear stress dilambangkan σxy , sedangkan untuk sumbu z dilambangkan σxz.
Hubungan antara besaran-besaran tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut:
 (1)
                         (2)
dengan i,j,k adalah vektor satuan untuk masing-masing sumbu.

2.2         Strain (Regangan)

Strain atau regangan didefinisikan sebagai perbandingan perubahan panjang benda terhadap panjang mula-mula akibat suatu gaya dengan arah sejajar perubahan panjang tersebut (Van Vlack,1991). Dalam satuan internasional, strain memiliki lambang  dengan satuan mm/mm atau %.
          (3)
dengan adalah perubahan panjang benda dan Lo adalah panjang benda mula-mula. Benda padat yang dikenai gaya akan mengalami perubahan ukuran. Jika gayanya berupa gaya tarik maka benda akan memanjang, sebaliknya jika gayanya adalah gaya tekan, maka benda akan memendek. Hal ini terjadi jika ukuran panjangnya jauh lebih besar dari lebarnya. Sementara jika ukuran panjang dan lebar suatu benda hampir sama maka akibat adanya gaya akan mengakibatkan terjadinya regangan geser. (Callister,1991).

2.3         Modulus Elastisitas

Elastisitas didefenisikan sebagai kemampuan bahan untuk menerima tegangan tanpa mengakibatkan tejadinya perubahan bentuk yang permanen setelah tegangan dihilangkan. Peristiwa ini disebut juga deformasi elastis. Deformasi elastis terjadi bila logam atau bahan padat dibebani gaya. Bila tegangan tersebut disebabkan oleh gaya tarik maka benda akan bertambah panjang, setelah gaya ditiadakan benda akan kembali ke bentuk semula. Sebaliknya jika tegangan tersebut disebabkan oleh gaya tekan maka akan mengakibatkan benda akan menjadi lebih pendek dari keadaan semula (Van Vlack, 1991). Bila hanya ada deformasi elastik, maka regangan sebanding dengan tegangan. Perbandingan antara tegangan (σ) dan regangan elastik () disebut modulus elastisitas (modulus young) yang dapat dituliskan sebagai berikut :
                       (4)
Persamaan (4) dikenal juga dengan Hukum Hooke. Hukum Hooke berlaku dibawah batas elastik, dimana untuk sebagian besar bahan selama beban atau tegangan tidak melampaui batas elastik, regangan akan sebanding dengan tegangan. Regangan elastik akan sebanding dengan tegangan bila pada bahan / logam hanya terjadi deformasi elastik.
Regangan elastik merupakan hasil perpanjangan sel satuan dalam arah tegangan tarik, atau hasil kontraksi dari sel satuan dalam arah tekan. Makin besar gaya tarik menarik antara atom logam, makin tinggi pula modulus elastisitasnya. Modulus elastisitas bersifat anisotropik, yaitu berubah sesuai arah kristal dikenal sebagai anisotropik kristalografi.
Pada pembebanan geser, bekerja dua gaya yang sejajar (gambar 1). Tegangan geser σs adalah gaya Fs dibagi dengan luas bidang geser As.
                       (5)
Gaya geser menyebabkan adanya pergeseran sudut . Regangan geser  didefinisikan sebagai tangen . Perbandingan tegangan geser σs dengan regangan geser  disebut modulus geser G.
                         (6)
Modulus geser G disebut juga modulus kekakuan, berbeda dengan modulus elastisitas (modulus young) E. Untuk regangan kecil berlaku hubungan:
           (7)
adalah bilangan poisson yaitu perbandingan negatif antara regangan melintang y dengan regangan tarik z . Bilangan Poisson  berada antara 0,25 sampai 0,5, maka nilai G mendekati 35 % dari E.
Kekuatan tarik (tensile strenght) atau kekuatan tekan (compressive strenght) menyatakan ukuran tegangan yang diperlukan untuk mematahkan atau merusak bahan.
Diagram antara stress (tegangan) dan strain (regangan) dapat digunakan untuk menentukan sifat mekanik dari suatu bahan. Diagram tersebut menggambarkan perubahan stress terhadap strain bila benda dikenai suatu gaya.

2.4         Deformasi Plastis

Hukum Hooke menyatakan bahwa strain berbanding lurus dengan stress dan hukum ini dipenuhi oleh benda pada daerah elastis. Jika bahan ditarik oleh suatu gaya pada daerah elastis, maka benda tersebut akan mengalami perubahan ukuran, kemudian setelah gaya dihilangkan maka benda akan kembali pada keadaan semula.
Pada tegangan yang lebih tinggi (melewati batas elastis), terjadi pergeseran tetap atom - atom dalam suatu bahan disamping regangan elastik. Regangan tetap ini tidak mampu kembali pada keadaan semula ketika tegangan ditiadakan. Regangan ini disebut regangan palastis (plastic strain). Pada daerah plastis, ukuran banda tidak dapat kembali seperti semula apabila gaya telah dihilangkan. Grafik stress  terhadap strain pada daerah elastis adalah linier sedangkan pada daerah plastis menunjukkan harga maksimum ulitimate strentht. Harga slope grafik linier dinyatakan sebagai modulus Young.  Luas daerah total dari kurva menyatakan harga modulus of toughness, sedangkan luas daerah elastis menyatakan harga modulus of resilence. Modulus of toughness (ketangguhan) didefinisikan sebagai energy total yang diserap oleh benda tiap  satu satuan volume hingga terjadi deformasi struktur (patah atau robek). Modulus of resilence didefinisikan sebagai energy yang diserap oleh benda setiap satu satuan pada daerah elastis. Kedua besaran ini berpengaruh pada kerja benda yang pada umumnya pada daerah elastis.
Keuletan (dusility)  menyatakan besarnya regangan plastis sampai patah, dapat dinyatakan sebagai presentasi perpanjangan (precent elongation).
                 (10)
Kekuatan luluh (Yield strength), S_y merupakan ketahanan suatu bahan terhadap deformasi plastis dinyatakan dengan besarnya gaya pada suatu luluh dibagi luas penampang.

2.5         Kekuatan Tekan (Compresive Strength)

Kekuatan tekan (compressive strength) menyatakan ukuran besar gaya yang diperlukan untuk  merusak bahan.
                       (11)
dengan F_s merupakan besar gaya yang diberikan, sedangkan A_s merupakan luas permukaan bahan yang diuji.

3          Metodologi Penelitian

3.1         Alat dan Bahan

Alat yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Autograph tipe AG-10 TE Shimadzu.
2. Penggaris
3. Mikrometer skrup

Bahan yang dibutuhkan adalah:

1. PVC
2. Tablet berbentuk  silindris
   1. Memotong bahan sesuai dengan keperluan.
   2. Memasang asesoris alat untuk uji tarik kemudian memilih beban (load cell) yang sesuai dengan kekuatan bahan uji A,B, dan C.
   3. Meletakkan bahan uji pada tempatnya.
   4. Menyalakan power supply, tombol 1 dan 2 dinyalakan dan di set up.
   5. Mengatur jarak maksimum yang diperlukan.
   6. Mengatur kecepatan pembebanan (pilih kecepatan rendah)
   7. Memilih range beban (gaya) yang diukur
   8. Menarik load cell perlahan-lahan, kemudian stop, dan mencatat besar gaya dan strainnya
   9. Mengulangi langkah 8, dengan perubahan yang sangat kecil sampai tercapai keadaan plastik atau sampah patah.

3.2         Prosedur Percobaan

3.2.1        Pengukuran Stress, Strain dan Kekuatan Tarik (Tensile Strength)

10.  Menulis hasil pengamatan pada tabel.

3.2.2        Pengukuran Kekuatan Tekan (Compressive Strength)

1. Memotong bahan sesuai dengan keperluan

2.  Memasang asesoris alat untuk uji tekan kemudian memilih beban (load cell) yang sesuai dengan kekuatan bahan uji A,B dan C.

1. Meletakkan bahan uji pada tempatnya.
2. Menyalakan power supply,tombol 1 dan 2 dinyalakan dan di set up
3. Mengatur jarak maksimum yang diperlukan
4. Mengatur kecepatan pembebanan (pilih kecepatan rendah)
5. Memilih range beban (gaya) yang diukur
6. Menurunkan load cell perlahan-lahan, kemudian di stop, dan mencatat besar gaya strainnya.
7. Mengulangi langkah 8 dengan perubahan yang sangat kecil, sampai patah.
8. Menuliskan hasil pengamatan pada table.

Untuk mengetahui sifat-sifat mekanik suatu bahan, maka perlu dilakukan beberapa pengujian diantaranya  kekuatan tarik (tensile strength) dan kekuatan tekan (compression strength) dengan menggunakan autograph tipe AG-10 TE Shimadzu.

4.1              Kekuatan Tarik (Tensile Strength)

Kekuatan tarik (tensile strength) menyatakan ukuran besar gaya yang diperlukan untuk mematahkan bahan. Dalam praktikum ini bahan yang digunakan adalah PVC.
Diagram antara stress (tegangan) dan strain (regangan) hasil praktikum ditunjukkan gambar di bawah ini:

Grafik 1. Grafik Hubungan Stress dengan Strain
Dari grafik tampak hubungan stress dengan strain berbanding lurus yang hanya berlaku pada daerah elastis.Daerah elastis pada grafik ditunjukkan oleh garis warna biru, dimana pada saat itu PVC diberi tegangan tetapi PVC tersebut mampu mempertahankan bentuknya saat tegangan dihilangkan.
  Perbandingan stress dengan strain disebut dengan modulus young atau modulus elastisitas. Besar modulus young tidak lain adalah gradient pada grafik yaitu sebesar 1782548,2. Semakin besar gaya tarik menarik antara atom bahan, semakin tinggi modulus elastisitasnya.
      Sedangkan garis merah pada grafik di atas menunjukkan bahwa PVC sudah mengalami daerah plastis. Keadaan dimana suatu bahan sudah tidak dapat kembali ke bentuknya semula. Garis merah menunjukkan bahwa meskipun strain bertambah namun besarnya stress tetap. Daerah plastis tersebut terjadi ketika PVC diberi gaya sebesar 487 Newton.
      Deformasi struktur atau titik ketika PVC patah pada saat percobaan yaitu ketika diberi gaya 487 Newton dengan perubahan panjang sebesar 26,01 mm.
      Sedangkan deformasi plastis ditunjukkan pada table di bawah ini:
Tabel 1. Hasil Analisis Deformasi Plastis

NO
1	0,00466		0,117
2	0,00499		0,125
3	0,00509		0,127
4	0,02601		0,650

      Deformasi plastis merupakan besarnya regangan plastis sampai patah. PVC berada pada daerah plastis ketika diberi gaya sebesar 487 Newton.

4.2              Kekuatan Tekan (Compressive Strength)

Kekuatan tekan (compressive strength) menyatakan ukuran besar gaya yang diperlukan untuk  merusak bahan. Semakin besar luas permukaaan suatu bahan maka besar gaya yang diperlukan untuk merusak bahan tersebut juga semakin besar.  Dalam praktikum ini bahan yang digunakan tablet berbentuk silinder. Dari hasil analisis diperoleh kekuatan tekan sebesar
.

5          Kesimpulan

1. Modulus elastisitas PVC hasil praktikum sebesar 1782548,2.
2. Kekuatan tekan tablet berbentuk silinder  hasil praktikum sebesar ...

6          Daftar Pustaka

Lawrence H. Van Vlack, 1995, Ilmu dan Teknologi Bahan, edisi kelima (penerjemah Sriati Djaprie), Erlangga, Jakarta.

Sears, Francis W. ,Mark W.Zemansky, 1962, Fisika untuk Universitas 1 (Mekanika, Panas, Bunyi), Alih bahasa : Ir.Soedarjana, Drs. Amir Achmad, Tirta Mandiri, Jakarta.

Tim KBK Fisika Material, 2014. Petunjuk Praktikum Fisika Eksperimental I, Laboratorium Fisika Material FST UA , Surabaya.